CMOS译码器设计与HSPICE仿真

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1、集成电路设计课程设计报告基于HSPICE的晶体管级电路设计与仿真题目：CMOS2-4译码器设计与HSPICE仿真学院专业班级学生姓名指导教师提交日期目录一、设计目的1二、设计要求和设计指标1三、设计内容1CM0S2-4译码器原理及电路设计1门级设计1门的CMOS实现2仿真结果与分析5四、总结7五、主要参考文献10集成电路设计课程设计报告冬胆工卷大誉一、设计目的熟悉数字集成电路设计课程，学习Hspice软件的使用，以及.sp文件的编写，进一步理解掌握CMOS设计组合逻辑电路与时序逻辑电路的基本知识，继而熟练地运用半导体集成电路知识。二、设计要求和设计指标（1）了解C2MOS主从正沿触发寄存器的电

2、路结构、电路原理；（2）了解电路具体参数，包含的晶体管数目、晶体管尺寸、连线情况等；（3）利用HSPICE软件，编写.sp文件；（4）仿真该sp文件，得出描述电路性能的函数图线、波形等参数；（5）在具体的软硬件实验环境中，进行设计模拟、仿真和调试，解决设计调试中的具体问题；得出结论，并完成设计。三、设计内容CMOS2-4译码器原理及电路设计门级设计译码器是组合逻辑电路的一个重要器件，把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。而CMOS2-4译码，是将其输入的两位二进制代码“00”“01

3、”“10”“11”进行翻译，从而控制电路的输出线路，实现四路译码的过程。其真值表如图表1所示：ABY0Y1Y2Y3集成电路设计课程设计报告由图表1可以得到CM0S2-4译码器的布尔表达式为:从而可以得到CMOS2-4译码器门级设计的电路图，如图表2：集成电路设计课程设计报告图表2这样，通过两个非门和四个与非门就可以实现如图表1中的真值表所示的逻辑功能。门的CMOS实现由图表2,通过两个非门和四个与非门就可以实现CM0S2-4译码器的逻辑功能，所以现在的关键问题就是如何利用CMOS实现非门和与非门。非门即CMOS反相器，可以通过一个PMOS和一个NMOS来实现，如图表3所示:图表50集成电路设计

4、课程设计报告由此可以得到CM0S2-4译码器的总电路图如图表5所示。综上所述，CMOS2-4译码器共使用了两个CMOS反相器、四个CMOS与非门，总共20个晶体管，NMOS与PMOS各占10个，充分体现了CMOS上拉网络与下拉网络之间的对偶特性。根据上图的各个节点及晶体管特性，编写.sp文件如下：*encoder*Parametersandmodels.optionspost=2list*SimulationnetistM11a22MPL=2uw=12uM21a00MNL=2uw=8uM33b22MPL=2uw=12uM43b00MNL=2uw=8uM5Y0122MPL=2uw=12uM6Y0

5、322MPL=2uw=12uM7Y0144MNL=2uw=8uM84300MNL=2uw=8uM9Y1122MPL=2uw=12uM10Y1b22MPL=2uw=12uM11Y1155MNL=2uw=8uM125b00MNL=2uw=8uM13Y2a22MPL=2uw=12uM14Y2322MPL=2uw=12uM15Y2a66MNL=2uw=8uM166300MNL=2uw=8uM17Y3a22MPL=2uw=12uM18Y3b22MPL=2uw=12uM19Y3a77MNL=2uw=8uM207b00MNL=2uw=8uVDD20DCVaa0PULSE(0505n10n)Vbb0PULSE

6、(05010n20n).MODELMPPMOS(level=2LD=TOX=365E-10+NSUB=+15VTO=KP=+GAMMA=PHI=U0=UEXP=+UCRIT=DELTA=VMAX=XJ=+LAMBDA=NFS=+11NEFF=+NSS=+12TPG=RSH=CGDO=+CGSO=CGBO=CJ=+MJ=CJSW=MJSW=PB=.MODELMNNMOS(LEVEL=2LD=TOX=365E-10+NSUB=+16VTO=KP=+GAMMA=PHI=U0=UEXP=+UCRIT=128615DELTA=VMAX=XJ=+LAMBDA=NFS=+12NEFF=1+NSS=+12TP

7、G=RSH=CGDO=+CGSO=CGBO=CJ=+MJ=CJSW=MJSW=PB=*stimulus.tran1n100n.PRINTtranV(a)V(b)V(Y0)v(Y1)v(Y2)v(Y3).end在上述文件中，输入为V(a),V(b),输出为V(YO),v(Yl),v(Y2),v(Y3),对这些量进行瞬态分析，即可通过观察波形特点来得到仿真结果。仿真结果与分析“fiQU丁二4,f-l-图表6通过使A、B端输入不同周期、不同脉冲宽度的脉冲来使得A端和B端拥有交错的逻辑电平，进而可以通过仿真来验证CMOS2-4译码器的逻辑功能是否正确。在图表6中，由上至下的波形分别为A、B、Y0、Y1

8、、Y2、Y3的不同波形，通过同一时刻对应的逻辑关系可以得到图表1中真值表的逻辑数值。由仿真图形可以看到，在输入脉冲的边沿容易出现比其他位置更大幅度的毛刺，主要是由于时钟边沿电平在上升和下降时经历的过渡区导致电压不够平稳。因此我们在仿真时修改了脉冲的上升和下降时间，图表6、7、8分别显示了脉冲上升和下降时间为，和时Y0的输出波形：一號召whafa-TaxaPNLt#*!iLiiJFknha工&,它是结束语句整体的一部分。若一个HSPICE输入文件包含有几个HSPICE的运行，则每一个HSPICE运行的最后都要加上.END语句。 注释语句一般形式：*是用户对程序运算和分析时加以说明的语句。在列出输

9、入程序时会打印出来，但不参与模拟分析。该语句可放在输入文件标题语句以后的任意位置加以注释。(2) 电源描述语句本次课程设计选择的电源为脉冲源。脉冲源的一般形式为：PULSEV1V2tdtrtfpw或：PUV1V2tdtrtfpw其中：VI:脉冲源开始前的初始值V2:脉动值td:第一个脉冲开始前的延迟时间，缺省值为tr:脉冲上升时间，缺省值为TSTEPtf:脉冲下降时间，缺省值为TSTEPpw:脉冲宽度，缺省值为TSTEPper:脉冲周期，缺省值为TSTEP(3) 半导体器件描述语句本次课程设计用到的半导体器件为mos场效应管。一般形式：MXXXndngnsmname+或MXXXndngnsmn

10、amelvalwval.或.OPTIONWLMXXXndngnsmnamewvallval其中：MXXX:MOSFET元件名，必须以“M”开头，后面最多跟15个字符的字符串。ng,ns,nd:分别是MOSFET的栅、源和漏的节点名。nb:MOSFET衬底节点名，它可以通过模型语句中的BULK参数来加以定义。mname:MOSFET的模型参考名这是集成电路设计中非常关键的部分，合适的晶体管参数可以使电路的性能大大提高。（4）模型描述语句（.MODEL语句）模型语句的一般形式是：.MODELmnametype其中：mname模型参考名、元件必须靠这个名字来指明所要参考的模型。type用来选择模型类

11、型。pnamel用来设置模型参数名。模型参数名必须是相应模型中存在的参数，未给定的参数名和值就由程序中的缺省值代替。模型参数值由圆括号内参数表中的参数值给出。每个独立参数之间用空格或逗号分隔，续行前要加”+”号。小结：通过对程序的学习，我们对数字集成电路设计这门课程有了更深入的以及更具实践性的了解。（二）课程设计实验心得：数字集成电路设计是一门比较复杂的课程，与我们在大二时曾学过的数字电路与逻辑设计相比，其讨论对象主要在门级以下，增加了对集成电路设计方面更细致、更全面、更准确的思考与讨论，如对器件的复杂性，一个数字器件并不只是单纯的0和1等等，互联线的寄生效应等诸多因素。而本课程的课程设计无疑

12、加强巩固了对课程的理解和学习，通过软件的仿真，使得理论与实践能够更好地相联系。Hspice是一种常见的Spice仿真软件。Spice是SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经具有几十年的历史了，该程序是美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算科学系开发的，主要用于集成电路的电路分析程序。比较常见的Spice仿真软件有Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、SmartSpcie、IsSpice等，虽然它们的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以Synopsys公司的

13、Hspice和Cadence公司的Pspice最为着名。Hspice是事实上的Spice工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计；Pspice是个人用户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于PCB板和系统级的设计。HSPICE采用了最精确的、经过验证的集成电路器件模型库和先进的仿真和分析算法，提供了一个高精度的电路仿真环境。随着集成电路的几何尺寸不断变小，对高精度电路仿真器的需求也更加迫切。现在的设计者需要一个可以精确预测IC设计的时序、功耗和功

14、能的高精度仿真器。HSPICE为业界提供了最可信任的仿真器引擎和大量的器件模型。HSPICE模拟器引擎已经成功的应用于超过一百万个的设计中。HSPICE先进的电路模拟算法使得其收敛性大大优于其他工具。通过此次课程设计对Hspice软件的学习和运用，我们感触颇多。这次课程设计经历了一个漫长而艰辛的过程。起初刚刚拿到题目要求的时候，我们觉得无从下手，在数字集成电路设计的实验课时我们曾经对Hspice软件的使用有过一定的了解，但是我们并不了解网表文件的编写，为此我们查找了大量的资料，耗费了较多的时间去学习Hspice的语法和内容，并尽量将其与电路图联系起来，不理解的地方互相讨论，终于学会了一些编程的方法，并且不断地运行仿真，再修改文件，再运行仿真，以便达到最佳的结果。尽管我们的这次实验验收的分数并不太理想，我们仍然受益匪浅，我们真正收获了一些成果，学到了知识，增长了见识，培养了独立自主学习的能力，这将使我们受益一生，而并非是什么分数可以衡量的。十分感谢老师的耐心指导和同学们的积极帮助，我们会继续努力，争取在相关领域方面有所建树。五、主要参考文献1 周润德等译.数字集成电路电路、系统与设计.电子工业出版社2 钟文耀、郑美珠.CMOS电路模拟与设计一-基于Hspice.科学出版社3 陈力颖.Hspice语法手册.天津大学电信学院